隨著信息科學(xué)的不斷發(fā)展,人們對(duì)電子器件的要求也向著集成化、小型化方向發(fā)展,但原始的電子器件只利用到了電子的電荷屬性,這使得這種器件在發(fā)展過(guò)程中的發(fā)熱和能耗問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,從而摩爾定律似乎已經(jīng)接近其有效性的極限了。但尋求進(jìn)一步提高電子設(shè)備計(jì)算能力的研究熱情卻一直沒(méi)有中斷過(guò),在這期間一門集成了磁學(xué)、電子學(xué)和信息學(xué)等多種領(lǐng)域的學(xué)科即自旋電子學(xué)逐漸出現(xiàn)的人們的視野中且受到的關(guān)注越來(lái)越多。在自旋電子學(xué)中自旋軌道耦合效應(yīng)又是其一個(gè)非常重要的物理特性,所以對(duì)自旋軌道耦合效應(yīng)的研究是自旋電子學(xué)中的重點(diǎn)。在本文中對(duì)自旋軌道耦合效應(yīng)的研究主要分為兩個(gè)方面,一個(gè)是鐵電體GeTe,而另一個(gè)則是金屬鉑。我們知道近年來(lái)有一種叫做鐵電Rashba半導(dǎo)體的材料體系受到了人們的關(guān)注,而GeTe又是這種材料體系中的一種代表材料,所以對(duì)GeTe材料性質(zhì)的研究得到的結(jié)論在一定程度上可以代表對(duì)整個(gè)鐵電Rashba半導(dǎo)體材料體系的認(rèn)知。在本文中我們對(duì)GeTe的研究主要集中在外電場(chǎng)對(duì)該材料自旋軌道耦合和自旋霍爾電導(dǎo)的調(diào)控作用上,在研究過(guò)程中我們又主要是研究外電場(chǎng)、鐵電極化和自旋軌道耦合效應(yīng)這些物理量之間的關(guān)系�？傊�,我們的理論計(jì)算... 

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

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(a)Datta-Das自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管模型[10]；(b)全電學(xué)控制的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管[11]

第三章電場(chǎng)對(duì)GeTe中Rashba效應(yīng)的調(diào)控作用25圖3-1GeTe晶體結(jié)構(gòu)3.3結(jié)果與討論3.3.1能帶結(jié)構(gòu)與鐵電性我們通過(guò)計(jì)算得到的GeTe的Kohn-Sham能帶結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。為了更形象的展示有自旋軌道耦合和沒(méi)有自旋軌道耦合的能帶的區(qū)別，我們把兩者放在了一張圖中進(jìn)行比較，圖中藍(lán)色虛線表示沒(méi)有自旋軌道耦合的能帶圖，綠色實(shí)線代表有自旋軌道耦合的能帶圖。在圖中我們還用垂直雙箭頭表示沿∧線的自旋軌道耦合狀態(tài)的分裂，而插圖則展示了在計(jì)算中使用的布里淵區(qū)路徑和特殊k點(diǎn)。如圖中藍(lán)色虛線所示，在沒(méi)有自旋軌道耦合的情況下，鐵電畸變導(dǎo)致在L點(diǎn)附近的直接帶隙約為0.66eV，該值僅比Park等人[54]報(bào)告的實(shí)驗(yàn)值高0.05eV，所以可以認(rèn)為我們的計(jì)算參數(shù)是可靠的而且計(jì)算結(jié)果也是可信的。我們也注意到，即使是沒(méi)有自旋軌道耦合的情況，但由于材料本身就具有有限的電極化，所以在圖中表現(xiàn)為L(zhǎng)點(diǎn)附近出現(xiàn)了駝峰。而在有自旋軌道耦合的情況下，沿Γ-L方向有約0.7eV的能帶分裂，這個(gè)分裂我們?cè)趫D中用黑色雙箭頭來(lái)標(biāo)示，這個(gè)分裂表明自旋軌道耦合場(chǎng)在這個(gè)方向上或多或少是共線的，而且這個(gè)方向在我們使用的坐標(biāo)系中也是極化的方向。如圖中綠色實(shí)線所示在我們所選的k點(diǎn)路徑中Rashba分裂好像僅分布在L點(diǎn)附近，并且在L點(diǎn)的價(jià)帶頂（VBM）處最明顯，由此我們可以知道GeTe材料中自旋軌道耦合的貢獻(xiàn)主要集中在價(jià)帶上，這是因?yàn)閮r(jià)帶的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于Te原子的5p軌道，而導(dǎo)帶的貢獻(xiàn)則來(lái)自于Ge原子的2p軌道。這與對(duì)共振鍵的簡(jiǎn)

第三章電場(chǎng)對(duì)GeTe中Rashba效應(yīng)的調(diào)控作用26單解釋形成對(duì)比，因?yàn)門e原子5p軌道的能量遠(yuǎn)高于Ge原子的2p軌道。所謂的“跨帶雜化”理論[55,56]被用來(lái)描述離子化合物中的這種現(xiàn)象，這種異常現(xiàn)象與增強(qiáng)的Born有效電荷有關(guān)，而B(niǎo)orn有效電荷反過(guò)來(lái)又改善了畸變鍵合。圖3-2GeTe的Kohn-Sham能帶結(jié)構(gòu)圖考慮了自旋的自旋分量能帶結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖中所展示的反向極化，即+P和-P的能帶色散是相同的，這可以理解為鐵電位移和z方向上的自旋在兩種不同的極化狀態(tài)下方向都是相同的。如果忽略自旋軌道耦合的作用，則自旋極化與晶體坐標(biāo)無(wú)關(guān)，所以在這種情況下自旋在極化反轉(zhuǎn)時(shí)是不變的。如圖3-3（a）和（c）所示，在L點(diǎn)附近當(dāng)k點(diǎn)路徑沿L-U方向時(shí)，x和y方向上的自旋矢量具有不同的貢獻(xiàn)，當(dāng)極化從+P反轉(zhuǎn)到-P時(shí)，這種貢獻(xiàn)是相反的，所以由于自旋軌道耦合的作用，自旋矢量的纏繞方向在k空間中也是相反的，就如之前就有的工作所提出的那樣[36]。我們注意到就像前面提到過(guò)的共線自旋軌道耦合場(chǎng)一樣，沿Γ-L方向上沒(méi)有x或y分量的貢獻(xiàn)，而這將導(dǎo)致能帶沿著這個(gè)方向幾乎剛性地移動(dòng)。同時(shí)，我們?cè)趫D3-3（b）和（d）中繪制了自旋的z分量，從這兩幅圖中可以看出不同的極化會(huì)改變投影權(quán)重。自旋纏繞方向的變化可以理解為：在實(shí)際空間中，極化反轉(zhuǎn)等效于坐標(biāo)系的z分量的變化，在這種情況下，隨著從z軸到-z軸的改變，x-y軸也從右手軸更改為左手軸。這種現(xiàn)象在鐵電材料中是普遍存在的，因?yàn)橐坏O化反轉(zhuǎn)僅通過(guò)原子位置的相對(duì)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種現(xiàn)象就與坐標(biāo)系的變化有關(guān)。


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